机械毕业设计（论文）-CK6163型数控机床设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： CK6163 型数控机床设计型数控机床设计 信机 系系 机械 工程 及自动化专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师：（职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） CK6163 型 数控机床设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用， 表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、 集体已发表或撰写的成果作品。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 班 级： 机械 93 学 号： 0923148 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 II I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 CK6163 型数控机床设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 受益于国家振兴装备制造业的大环境和强劲的市场需求拉动， 国内机床工具行业出现了技术长足发展、投资热情高涨的局面。数控 机床的水平、品种和生产能力直接反映了国家的技术、经济综合国力。 数控机床作为国防军工的战略装备，是各种武器装备最重要的制造 手段，是国防军工装备现代化的重要保证。数控机床一般由输入介质、 人机交互设备、计算机数控装置、进给伺服驱动系统、主轴伺服驱动 系统、辅助控制装置、反馈装置和适应控制装置等部分组成。随着振 兴装备制造业关键领域的高水平新产品的发展，每个领域都对数控 机床提出了更高的要求。CK6163 型数控机床也被广泛运用。此次进 行对 CK6163 型数控机床的床头箱、变速箱以及进给机构的设计。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 1、完成 CK6163 数控机床的床头箱设计； 2、完成 CK6163 数控机床变速箱设计； II 3、完成 CK6163 数控机床进给机构设计； 4、完成 CK6163 型数控机床滚珠丝杠的设计； 5、完成 CK6163 型数控机床的零件设计； 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 93 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 数控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术，机械制造业的竞争，其实质是 数控技术的竞争。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看,其主要研究热点有以 下几个方面：1功能发展方向；2结构体系发展方向；3高速、高效、高精度、高可 靠性发展方向； CK6163 型数控机床是开环式的数字程序控制车床。能进行内外圆柱面、圆锥面、圆 弧面、圆柱螺纹和圆锥螺纹等加工。机床主轴的启动、停止和变速，纵向和横向进给运 动的行程和速度，刀具的变换和冷却，都可以自动控制。并具有直线、锥度、直螺纹和 锥螺纹等自动循环机能。 CK6163 型数控机床有床头箱、变速箱、进给机构、刀架、控制箱等组成。床头箱中 由操纵油缸中的活塞杆带动拔叉来控制双向内齿离合器的接通或放松，使主轴实现四级 变速。主运动采用分离传动从而使变速箱实现四级变速。进给机构由床鞍纵向进给电液 脉冲马达、滚珠丝杠副和中间传动齿轮副组成。 关键词：关键词：数控技术；床头箱；变速箱；进给机构；滚珠丝杠； IV Abstract Numerical control technology is the core technology of the advanced manufacturing technology and equipment, machinery manufacturing competition, and its essence is the competition of numerical control technology.From the numerical control technology and equipment development trend, its main research focus has the following several aspects：1 .The direction of function development；2. The direction of structural system development；3. High speed, high efficiency, high precision and high reliability； CK6163 numerical controlled machine tool is the open loop type digital program controlled lathe. To inside and outside the cylinder, cone surface, such as processing arc face, straight thread and taper thread. Start, stop, and variable speed machine tool spindle, longitudinal and transverse feed motion of stroke and speed, transformation and the cooling of a tool, can be controlled automatically. And with a straight line, taper, straight thread and automatic cycle function of taper thread and so on. CK6163 numerical controlled machine tool headstock, transmission, feeding mechanism, tool carriage, control box, etc. Bedside box by manipulating the oil cylinder piston rod to control the bidirectional drive fork of the internal tooth clutch connected or relax, for level 4 speed of spindle. Separation is used in the main movement transmission so that realize four speed gearbox. Feed mechanism by the bed saddle longitudinal feed electric hydraulic pulse motor, ball screw pair and the intermediate transmission gears. Key words: Numerical control technology; Bedside cabinet; Gearbox; Feed mechanism; Ball screw; V 目目 录录 摘 要.III ABSTRACTIV 目 录 V 1 绪论.1 1.1 本课题的研究内容和意义1 1.2 国内外的发展概况1 1.3 本课题应达到的要求2 2 总体方案3 2.1 CK6163 的现状和发展3 2.2 CK6163 卧式车床的总体方案3 3 主轴箱的设计4 3.1 主轴箱的运动设计4 3.1.1 已知条件 .4 3.1.2 结构分析式 .4 3.1.3 拟定转速图 .4 3.1.4 确定转速图 .5 3.1.5 确定各变速组传动副齿数 .6 3.2 齿轮传动设计7 3.2.1 渐开线直齿轮设计 .7 3.2.2 斜齿轮设计 .8 3.3 主轴传动设计11 3.3.1 确定主轴最小直径 .11 3.3.2 主轴最佳跨距的确定 .11 3.3.3 主轴刚度的校核 .12 3.4 带传动设计12 3.5 滚珠螺母丝杠14 3.5.1 滚珠丝杠副的种类与结构 .14 3.5.2 内循环式 .14 3.5.3 外循环式 .14 3.5.4 滚珠丝杠副的结构参数 .15 3.5.5 滚珠丝杠副的结构特点 .15 3.5.6 滚珠丝杠副的安装支撑方式 .15 4 变速箱的设计17 4.1 运动部分计算17 4.1.1 参数确定的步骤和方法 .17 4.2 传动设计18 4.2.1 传动结构式、结构网的选择.18 VI 4.2.2 主传动顺序的安排.19 4.2.3 传动系统的扩大顺序的安排.19 4.2.4 传动组的变速范围的极限植19 4.2.5 最后扩大传动组的选择.20 4.3 转速图的拟定20 4.3.1 主电机的选定.20 4.3.2 双速和多速电机的应用20 4.3.3 电机的安装和外形20 4.3.4 常用电机的资料21 4.3.5 齿轮传动比的限制21 4.4 带轮传动部分的设计21 4.4.1 带轮直径确定的方法、步骤21 4.4.2 三角带传动的计算21 4.4.3 选择三角带的型号21 4.4.4 确定带轮的计算直径 D1、D222 4.5 齿轮传动部分的设计24 4.6 电磁离合器的选择28 4.6.1 按扭距选择28 4.6.2 步骤28 4.7 轴的设计计算29 4.7.1 轴的设计计算29 4.7.2 轴的设计计算29 4.8 纵向进给系统的设计计算34 4.8.1 纵向进给系统的设计34 4.8.2 纵向进给系统的设计计算34 5 结论与展望.40 5.1 结论40 5.2 不足之处及未来展望40 致谢.41 参 考 文 献.42 CK6163 型数控机床设计 1 1 绪论绪论 1.1 本课题的研究内容和意义本课题的研究内容和意义 数控机床通常由控制系统，伺服系统，检测系统，机械传动及其他辅助系统组成。 数控机床相比较于普通机床有以下特点：（1）加工精度高，拥有稳定加工质量； （2）拥有多坐标的联动，能加工较为复杂的工件；（3）加工时间短；（4）生产效 率高；（5）自动化程度高，减轻劳动强度； 数控机床的控制方式有很多种，主要分为开环控制，闭环控制和半闭环控制。开 环控制系统没有反馈装置，系统不会计算误差，精度不高，但属于经济型；闭环控制 系统和半闭环控制系统都装有反馈装置，他们区别在于反馈检测装置安装位置不同， 闭环控制系统的反馈装置在工作台上，而半闭环控制系统的反馈装置在轴端或者丝杆 上。本次研究的 CK6263 型数控机床的控制就属于开环控制系统。 CK6163 型数控车床，是车床中应用最广泛、最典型的一种数控车床。该机床是 开环式的数字控制车床。能进行内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、圆柱螺纹和圆锥螺纹 等加工。机床主轴的起动、停止和变速，纵向和横向进给运动的行程和速度，刀具的 变换和冷却，都可以自动控制。并具有直线、锥度、直螺纹和锥螺纹等自动循环功能。 在该机床中采用液压卡盘、液压尾座、快换刀架和机床外对刀装置。该机床使用于加 工形状复杂的中小批量的零件。 数控机床的主传动方式分为集中传动方式和分离传动方式。集中传动是指主传动 和变速传动在同一个主轴箱内的传动方式，其优点在于结构紧凑，便于实现集中操作， 安装调整方便，主要用于普通精度的大中型机床；分离传动是指主传动的大部分传动 和变速传动安装于远离主轴的单独变速箱内，通过带传动将运动传到主轴箱的传动方 式，其优点在于变速箱内各传动件所产生的的振动和热能不直接传给或少传给主轴， 有利于提高主轴工作精度，主要运用于对精度要求高的机床。 CK6163 型数控机床就是采用了分离传动，来提高工作精度。 1.2 国内外的发展概况国内外的发展概况 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。 世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造 能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将数控技术及数控装 备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖“数控 关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因此大力发展以数控技术为核心的先 进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 目前，欧、美、日等工业化国家已经先后完成数控机床产业化进程，而我国是从 20 世纪 80 年代才开始起步，处于发展阶段。国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶 段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了 5-10 年；在 高、精、尖技术方面的差距则达到了 10-15 年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能 力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形 无锡太湖学院学士学位论文 2 成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑 体系，市 场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知 识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。 十二五期间我国将持续投入，且力度加大，力争通过 10-15 年的时间，实现由机床工 具生产大国向机床工具强国转变，实现国产中高档数控机床在国内市场占有主导地位等 一系列中长期目标。 在数控机床制造方面，德国和日本一直处于领先地位，德国是老牌工业强国，其锻 压机械种类齐全，基本上每一种锻压设备都有代表世界最先进水平的产品，比如通快的 钣金成形机床、舒勒的大型覆盖件压力机、多工位压力机和冲压自动生产线、米勒万家 顿的电动螺旋压力机、奥姆科的热模锻压力机、哈森克勒佛的离合器式螺旋压力机、拉 斯科的锻锤、辛北尔康普的大型液压机、瓦格纳-班宁的碾环机、雷菲尔德的旋压机、 FELSS 的旋锻机等等的锻压机械。日本的锻压机械和德国一样，在世界上居于领先地位， 尽管在大型和重型锻压设备方面不如德国，但在数控锻压机械，尤其在伺服驱动压力机 方面具有很高的技术水平。而在我国沈阳、大连两市已基本成为全国数控车床、加工中 心的中央综治委开发基地；在长江三角洲地区已成为数控磨床、电加工机床、板材加工 设备、等的主要生产基地。 1.3 本课题本课题应达到的要求应达到的要求 本课题主要研究CK6163 型数控机床的设计，主要设计主轴箱和变速箱，还有涉及到进 给机构的设计，以及一些零部件的设计。而主要问题是：相关文献资料的缺乏，对一些 结构设计部分的具体设计指导，以及制图软件的高级运用技巧。 图 1.1 CK6163 型数控机床 CK6163 型数控机床设计 3 2 总体方案总体方案 2.1 CK6163 的现状和发展的现状和发展 数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体 化产品；其技术范围复盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术； (3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。计算机对传统机械 制造产业的渗透，完全改变了制造业。制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技 术的渗透，使制造业犹如朝阳产业具有广阔的发展天地。数控技术的发展趋势：智能 化 ；网络化 ；集成化 ；微机电控制系统 ；数字化 。 我国数控产业发展的思考： 1、注重系统配套 ； 2、注重产品的可靠性 ；3、提倡 创新，加强服务。 2.2 CK6163 卧式车床的总体方案卧式车床的总体方案 由于该设计给出的已知条件是 16 级变速，对于主轴箱的设计采用双联齿轮、拨叉、 电磁离合器实现主轴的变速、正转、反转。进给部分用数控系统控制纵横两方向的步进 电机，实现 X、Y 两方向的进给运动；刀架采用四方刀架；参考的普通机床拆除其中的丝 杠、光杠进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；在主轴后端加一主轴编码器，以便加 工螺纹。 车床的主参数（规格尺寸）和基本参数（GB1582-79，JB/Z143-79） 最大的工件回转直径 D 是 630mm；刀架上最大工件回转直径 D1大于或等于 315mm；主 轴通孔直径 d 要大于或等于 80mm；主轴头号（JB2521-79）是 4.5；最大工件长度 L 是 1500mm；主轴转速范围是：321000r/min；级数范围是：16 级；主轴前端孔锥度是公制 100 号；纵向进给量 0.0120.47mm；刀架横进给量范围(在直径上) 是 0.0120.47mm； 刀架纵向和横向进给的脉冲当量 0.01mm；主电机功率是 13kw。 本设计主要着重于主轴箱、变速箱和进给机构的设计。CK6163 型数控机床主要结构 图如图 2.1 无锡太湖学院学士学位论文 4 图 2.1 CK6163 型数控机床主 CK6163 型数控机床设计 5 3 主轴箱的设计主轴箱的设计 3.1 主轴箱的主轴箱的运动设计运动设计 3.1.1 已知条件已知条件 低转速 nmin 为 32r/min，高转速 nmax 为 1000r/min，转速调整范围为 Rn=nmax/nmin=31.25 取 Rn=32 确定公比:选定主轴转速数列的公比为 1.25；求出主轴转速级数 Z Z=lgRn/lg+1= lg32/lg1.25+1=16.53 取 Z=16 3.1.2 结构分析式结构分析式 确定结构式：16=2222 16=224 16=242 根据拟定转速图的原则筛选结构式 1.极限传动比、极限变速范围原则； 2.确定传动顺序及传动副数的原则“前多后少”的原则； 3.确定传动顺序与扩大顺序相一致的原则“前密后疏” 的原则； 4.确定最小传动比的原则“前慢后快” （降速） ， “前快后慢” （升速）的原则。 经整理得： 16=21222428 3.1.3 拟定转速图拟定转速图 (1)选定电动机 一般金属切削机床的驱动，如无特殊性能要求，多采用 Y 系列封闭自扇冷式鼠笼型 三相异步电动机。Y 系列电动机高效、节能、起动转矩大、噪声低、振动小、运行安全可 靠。根据机床所需功率选择 Y160M-4，其同步转速为 1460r/min。 （2）分配总降速传动比 总降速传动比为 uII=nmin/nd=32/14600.0213,nmin 为主轴最低转速，考虑是否需要 增加定比传动副，以使转速数列符合标准或有利于减少齿轮和及径向与轴向尺寸，并分 担总降速传动比。然后，将总降速传动比按“先缓后急”的递减原则分配给串联的各变 速组中的最小传动比。 （3）确定各级转速并绘制转速图 由 nmin= 32r/min;=1.25；z = 16 确定各级转速： 1000、800、630、500、400、315、250、200、160、135、100、80、63、40、32r/min。 本设计有四种传动机构，四段无级变速： (1)IV V VI VII VIII (2)IV V VII VIII (3)IV VI VII VIII （下拨叉左） (4)IV VI VII VIII （下拨叉右） 先来确定 IV 轴的转速 nmax=1450130/18640/3236/36190/304=791；取 nmax=800 无锡太湖学院学士学位论文 6 nmin=145032/4032/40190/304=405；取 nmin=400 根据转速图跟结构式，可确定 IV 轴的转速为 400、500、630、800r/min 确定轴 V 的转速 因为 IV 轴跟 V 轴是 1：1 传递，所以 V 轴的转速等同 IV 轴转速： 400、500、630、800r/min。 确定轴 VI 的转速 由轴 IV 传递到轴 VI 可以得到四级转速：400、500、630、800r/min 由轴 V 传递到轴 VI 可以得到四级转速：40024/60=160；50024/60=200 ；63024/60=252 取 n=250 ；80024/60=320 取 n=315 所以 VI 轴的转速确定为 160、200、250、315、400、500、630、800r/min 确定轴 VII 的转速 由轴 IV 经轴 V 直接传递到轴 VII 可以得到四级转速：400、500、630、800r/min 由轴 IV 经轴 VI 传递到轴 VII 可以得到八级转速：80024/60=160 ；63024/60=125；50024/60=100；40024/60=80 (80060/24=2000 3060/24=1575 n=1600 50060/24=1250 40060/24=1000) 由轴 IV 经轴 V 传递到轴 VI 再传递到轴 VII 可以得到四级转速：31524/60=160 25024/60=100 20024/60=80 16024/60=63 确定 VII 轴的转速为： 2000、1600、1250、1000、800、630、500、400、315、250、200、160、135、100、80 、63r/min 3.1.4 确定转速图确定转速图 CK6163 型数控机床设计 7 图 3.1 CK6163 转速图 3.1.5 确定各变速组传动副齿数确定各变速组传动副齿数 轴 IV-V: 1/1 1 i a1/1 2 i a 时：64、66、68、70、72、74、76、841/1 1 i a z S 时：64、66、68、70、72、74、76、841/1 1 i a z S 可取84,于是可得轴 IV 齿数为：42；于是 z S1/1 1 i a 可得轴 V 上的齿轮齿数为：42 轴 V-VI: ，5 . 2/1 1 i b 时：69、72、73、76、77、80、81、84、875 . 2/1 1 i b z S 可取 84，于是可得轴 V 上齿轮的齿数为：24； z S 于是 ，得轴 VI 上齿轮的齿数为：6060/24 1 i b 轴 VI-轴 VII: 5 . 2 1 c i 时： 72、75、78、81、84、87、89、905 . 2 2 c i z S 可取 84；得轴 VI 齿轮齿数为 24； z S 由； 得 VII 轴齿轮齿数为 605 . 2 1 c i VII-轴 VIII： 2 1 d i 时：72、75、78、81、84、87、89、902 1 d i z S 可取 90.得轴 VII 齿轮齿数为 30；由得 VIII 轴齿轮齿数为 60 z S2 1 d i 根据轴数，齿轮副，电动机等已知条件可有如下系统图： 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 3.2 CK6163 床头箱传动系统图 3.2 齿轮传动设计齿轮传动设计 3.2.1 渐开线直齿轮设计渐开线直齿轮设计 （1）选择齿轮材料及精度等级: 因为是 1:1 传递,所以两齿轮材料选择一致:齿轮选用合金钢调质，硬度为 220250HBs； 选 8 级精度，要求齿面粗糙度 Ra3.26.3m （2）模数的确定： 在 IV 轴上42 齿数的齿轮最容易受损，所以应以42 齿数齿轮位代表进行模数计算， 因 为： (3.1) 1 3 2 1 1.26 FS F d K m T Y Y z 查机械设计基础表 10.11“载荷系数 K”得： ，因为： 1.2K (3.2) 6 1 9.55 10 p T n 式子中 P为主动轴的传输功率 n为从动轴的的转数 IV 轴的计算转速为： 1 400 /minnr CK6163 型数控机床设计 9 则有 (3.3) 6 1 9.55 10 p T n 6 13 9.55 10 400 kw 6 0.3 10 n mm 查机械设计基础表 11.19 得 1 d 查机械设计基础表 10.13“标准外齿轮的齿形系数”得： YF 当 z=42 时 所对应的外齿轮齿形系数2.41 F Y 查机械设计基础表 10.14“标准外齿轮的应力修正系数”得： YS 当 z=42 时 所对应的外齿轮的应力修正系数1.67 S Y 查机械设计基础图 11.24 得： lim 210 F MPa 查图 11.25 得： 1 N Y 查表 11.9 得： 因为1.3 F S lim/FNFF YS 所以1 210/1.3161 F 经整理得： 6 3 2 1.2 0.3 102.41 1.67 1.26 42210 m 取4.27m 4m 于是轴 IV 齿轮的直径为 ；mmdb168424 1 因为是渐开线标准直齿轮,所以 V 轴齿轮的模数也为 m=4. ；mmdb168424 2 （3）校核齿轮 按齿根弯曲疲劳强度校核: 如果，则校核合格。 21 1 FFSF KT Y Y b m d 确定有关系数与参数： 齿形系数 ； 查表 11.12 得 F Y2.41 F Y 应力修正系数 ；查表 11.13 得 s Y1.67 s Y 许用弯曲应力 F 由图 11.24 查得 lim 210 F MPa 由表 11.9 查得 1.3 F S 由图 11.25 查得 1 s Y 由式 21 1 FFSF KT Y Y b m d 无锡太湖学院学士学位论文 10 可得 210 1161 1.3 F MPa 故 212 1.2 3 106 2.41 1.8728 1168 4 4 42 FFSF KT Y YMPa b m m z 齿根弯曲强度校核合格. 验算齿轮的圆周速度 168 400 3.51/5/ 60 100060 1000 dn vm sm s 查表可知,选 8 级精度是合适的. 3.2.2 斜齿轮设计斜齿轮设计 （1）选择齿轮材料及精度等级: 按表查得选择齿轮的材料为 小齿轮选用 45 钢调质，硬度为 220-150HBs； 大齿轮选用 45 钢正火，硬度为 170-210HBs； 选 8 级精度，要求齿面粗糙度 Ra3.2-6.3um。 （2）确定设计准则 由于为闭式齿轮传动,且两齿轮均为齿面硬度 HBs 小于等于 350 的软齿面,齿面点蚀 是最主要的失效形式.应选按齿面接触疲劳强度进行设计计算,确定齿轮的主要参数和尺 寸,然后再按弯曲疲劳强度校核齿根的弯曲强度 （3）按齿面接触疲劳强度设计 确定有关参数与系数: 转矩T1 (3.3) 6 1 9.55 10 p T n 6 13 9.55 10 63 kw 6 1.9 10 n mm 荷系数 查机械设计基础表 10.11“载荷系数 K”得：K=1.1 齿数,螺旋角和齿宽系数 1 Z d 小齿轮齿数取为 30，大齿轮齿数是 60 初选螺旋角=15 弹性系数 E Z 由表 11.11 查得 189.8 E Z 许用接触应力 H CK6163 型数控机床设计 11 查机械设计基础由图 11.23 查得： lim1 560 H MPa lim2 530 H MPa 由表 11.9 查得 1 H S (3.4) 7 1 6060 63 1 10 52 407.86 10 h NnjL 7 21/ 3.93 10NNi 查图 11.26 得 12 1 NN ZZ 由可得： lim/HNHH ZS 1lim1 1 /560 HNHH ZSMPa 2lim2 2 /562 HNHH ZSMPa 故 6 3 1 1.1 1.9 103 1.15 153 2 dmm 1 1 cos153 cos15 4.92 30 d mnmmmm Z 由表 11. 3 取标准模数为 m=4.5 确定中心距 a 螺旋角： 0 ( 12)4.5 (3060) 209.64 2cos2 cos15 mn ZZ ammmm 取中心距 a=210mm 主要尺寸计算： 1 0 14.5 30 139.76 coscos15 mnZ dmmmm 2 0 24.5 60 278.52 coscos15 mnZ dmmmm 1 1 139139 d bdmm 取, 。 2 140bmm 1 135bmm 按齿根弯曲疲劳强度校核 确定有关参数与系数： a 当量齿数： 1 33 130 33.28 coscos V Z Z 21 266.76 vv ZZ b 齿形系数 F Y 查表得：； 1 2.54 F Y 2 2.30 F Y c 应力修正系数 S Y 无锡太湖学院学士学位论文 12 查表得：； 1 1.63 S Y 2 1.73 S Y d 许用弯曲应力 F 由图查得： lim1 210 F MPa lim2 190 F MPa 由表查得1.3 F S 由图查得： 12 1 NN YY 由式： lim/FNFF YS 可得： lim/ 162 FNFF YSMPa lim/ 146 FNFF YSMPa 故： 1 1 1.6cos F KT b m m z 1 116 FSF Y YMPa F2S2 21 2 11 Y Y 111 FFF FS MPa Y Y 齿根弯曲强度校核合格. 验算齿轮的圆周速度 (3.5) 139 63 0.45/10/ 60 100060 1000 dn vm sm s 由表得可知,选 8 级精度是合适的. 3.3 主轴传动设计主轴传动设计 3.3.1 确定主轴最小直径确定主轴最小直径 （1）选择轴的材料,确定许用应力 由已知条件可知此主轴箱传递的功率属中小功率,对材料无特殊的要求,故选 45 号钢 并经调质处理,由机械设计一书中表 16.1 查得强度极限=637MPa,再由表 16.3 得许 B 用弯曲应力。 1 60 b MPa （2）按扭转强度估算轴径 由式： (3.6) 33 1 13 d11887 63 p C n 考虑到主轴的最小直径处要安装联轴器,会有键槽存在.故需要将估算直径加大.设计 手册取标准直径 1 110dmm 3.3.2 主轴最佳跨距的确定主轴最佳跨距的确定 主要参数工件最大直径车床，功率.求轴承刚度，考虑机械效率，630mm13PKW 主轴最大输出转距： 0.85 9550676 100 P TNm CK6163 型数控机床设计 13 床身上最大加工直径约为最大回转直径的 60%,取 50%即, 315mm 切削力：NFC6760 1 . 0 676 背向力：NFF CP 338067605 . 05 . 0 故总的作用力：NFFF CP 7558 22 次力作用于顶在顶尖间的工件上主轴尾架各承受一半, 故主轴轴端受力为：/23779FN 先假设：mmlal225753, 3/ 前后支撑分别为： BAR R N l aF R N l alF R B A 1260 225 75 3779 2 5039 225 75225 3779 2 根据： 9 . 19 . 0801 . 0 cos)(39 . 3 izlF d dF K ar r r v 5039,1260 vAvB FN FN 8.8,10.8,17,1,2,30 aAaBBBAA lmm lziiz 0.9 0.10.81.9 3.39 50398.82 30cos01809 A KN 0.9 0.10.81.9 3.39 126010.82 17cos01107 B KN 1809 /1.63 1107 AB KK 10070 /285 e dmm 4464 0.050.0850.0462.39 10Im 116 33 6 2.1 102.39 10 0.658 18090.07510 A EI K a 。查线图 0/ 3la ,与原假设相符75 3225lmm 3.3.3 主轴刚度的校核主轴刚度的校核 前支承为双列圆柱滚子轴承，后支承为双列圆柱滚子轴承 mmml687 . 0 687 5 . 31 5 . 12374332 当量外径 mmde56.80 887 8104351007568054722268 4 44444 主轴刚度：由于5 . 05586 . 0 56.80/45/ ei dd 故根据式（10-8） 无锡太湖学院学士学位论文 14 mN ala dd k AA ie s / 3 . 149 107588775 104556.80103103 92 12444 2 444 对于机床的刚度要求，取阻尼比035. 0 当 v=50m/min,s=0.1mm/r 时, 8 . 68,/46 . 2 mmNkcb 取：mmDb87 . 6 %5068702 . 0 02 . 0 maxlim mNKB36.84 8 . 68cos 035 . 0 1035 . 0 2 87 . 6 46 . 2 计算 ： A K mN l a l a a a KK mmmmDL A B A B BA / 5 . 76 687 75 1 687 1 . 281 1 4 . 0 75 1 . 281 6 . 036.84 1 1 4 . 06 . 0 1 . 281, 1 . 2063 . 0 2 2 2 2 2 2 2 2 max 加上悬伸量共长 mNmNKK As / 3 . 152/ 0 . 127 5 . 7666 . 1 66 . 1 可以看出，该机床主轴是合格的. 3.4 带传动设计带传动设计 电动机转速,传递功率,传动比，1450 /minnr13PKW1.6i 1确定计算功率 取，则1.1 A K (3.7)1.1 1314.3 caA PK PKW 2选取 V 带型 根据小带轮的转速和计算功率，选 B 型带。 3确定带轮直径和验算带速 查表小带轮基准直径,mmd190 1 mmid3046 . 1190190 2 验算带速成 (3.8) 100060 11 nd v 其中 -小带轮转速，r/min； 1 n -小带轮直径，mm； 1 d ,合适25, 5/14.14 100060 145019014 . 3 smv 4确定带传动的中心距和带的基准长度 设中心距为,则 ： 0 a 1212 0.55()2()ddadd 于是：,387.2988a 初取中心距为： 0 400amm 带长： 0 2 12 2100 4 )( )( 2 2 a dd ddaL CK6163 型数控机床设计 15 mm1583 4004 )190304( )304190( 2 14 . 3 4002 2 查表取相近的基准长度， d L 。mmLd1600 带传动实际中心距 mm LL aa d 5 . 408 2 0 0 5验算小带轮的包角 一般小带轮的包角不应小于。 120 。合适。 21 1 18057.3164.7120 dd a 6确定带的根数 (3.9) L ca kkpp p Z )( 00 其中：P 时传递功率的增量； 0 1pi A -按小轮包角，查得的包角系数； k -长度系数； L k 为避免 V 型带工作时各根带受力严重不均匀，限制根数不大于 10。 4 90 . 0 95. 0)46. 019 . 2 ( 25. 8 Z 7计算带的张紧力 0 F (3.10) 2 0 ) 5 . 2 (500qv k k vZ p F ca 其中： -带的传动功率,KW； ca p v-带速,m/s； q-每米带的质量，kg/m；取 q=0.17kg/m。 v = 1440r/min = 9.42m/s。 NF 7 . 19342 . 9 17 . 0 ) 95 . 0 9 . 05 . 2 ( 442 . 9 25 . 8 500 2 0 8计算作用在轴上的压轴力 (3.11)NZFFQ1530 2 4 . 161 sin 7 . 19342 2 sin2 1 0 3.5 滚珠螺母丝杠滚珠螺母丝杠 3.5.1 滚珠丝杠副的种类与结构滚珠丝杠副的种类与结构 滚珠丝杠螺母副：是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，在数控机床进给系 统中一般采用滚珠丝杠副来改善摩擦特性。 工作原理是：当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则可沿 无锡太湖学院学士学位论文 16 3.5.2 内循环式内循环式 内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。如图 3。在螺母的侧面 孔内，装有接通相邻滚道的反向器，利用反向器引导滚珠越过丝杠的螺纹顶部进入相邻 滚道，形成一个循环回路。一般在同一螺母上装有 24 个反向器，并沿螺母圆周均匀分 布。 优缺点：滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小，但制造 精度要求高。 图 3.3 内循环示意图 1凸键；2、3反向键； 3.5.3 外循环式外循环式 外循环方式的滚珠在循环反向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做循环运 动。如图 3.4， （a）为螺旋槽式外循环（b）为插管式外循环。 优缺点：结构简单、制造容易、但径向尺寸大，且弯管两端耐磨性和抗冲击性差。 图 3.4 外循环示意图 （a）螺旋槽式：1套筒；2螺母；3滚珠；4挡珠器；5丝杠 （b）插管式：1弯管；2压板；3丝杠；4滚珠；5滚道 3.5.4 滚珠丝杠副的结构参数滚珠丝杠副的结构参数 滚珠丝杠副的主要参数有：公称直径 D、导程 L 和接触角 。 公称直径 D：是指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。它与承载能 力直接有关，常用范围为 3080 mm，一般大于丝杠长度的 1/351/30。 2）导程 L：导程的大小要根据机床加工精度的要求确定，精度高时，导程小一些； CK6163 型数控机床设计 17 精度低时，导程大些。但导程取小后，滚珠直径将取小，使滚珠丝杠副的承载能力下降； 若滚珠直径不变，导程取小后，螺旋升角也小，传动效率将下降。因此，一般地，导程 数值的确定原则是：在满足加工精度的条件下尽可能取得大一些。 3.5.5 滚珠丝杠副的结构特点滚珠丝杠副的结构特点 1）摩擦因素小，传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率可达 0.920.96，比常规的丝 杠螺母副提高 34 倍。因此，功率消耗只相当于常规丝杠的 1/41/3。 2）可预紧消隙。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的间隙，反向运动时无死区，定 位精度高，刚度好。 3）运动平稳，低速时不易出现爬行现象，传动精度高。 4）运动具有可逆性。可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋 转运动，即丝杠和螺母均可以作为主动件。 5）磨损小，使用寿命长。 6）所需传动转矩小。 7）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度要求也高， 故制造成本高。 8）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于处于重惯性力的作用，常需添加辅助制动 装置。 3.5.6 滚珠丝杠副的安装支撑方式滚珠丝杠副的安装支撑方式 为提高传动刚度，滚珠丝杠合理的支撑结构及正确的安装很重要一般采用高刚度的 止推轴承支撑结构，以提高滚珠丝杠的轴向承载能力。 (a) (b) (c) (d) 图 3.5 支承方式 （a）一端装止推轴承（固定-自由式）。其承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝 杠，如用于数控机床的调整环节或升降台式数控机床的垂直坐标中。 （b）一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定-支承式）。当滚珠丝杠较长时， 一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减小丝杠热变的影响，止推轴承 的安装位置应远离热源（如液压马达）。 无锡太湖学院学士学位论文 18 （c）两端装止推轴承 将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，有助于提高传动刚度。但这种 安装方式对热伸长较为敏感。 （d）两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定-固定式） 为了提高刚度，丝杠两端采用双重支承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加预紧拉 力。这种结构形式，可使丝杠的热变形能转化为止推轴承的预紧力。 4 变速箱的设计变速箱的设计 4.1 运动部分计算运动部分计算 4.1.1 参数确定的步骤和方法参数确定的步骤和方法 (1)极限切削速度 umaxumin 根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类 工艺要求 刀具和工 件材料等因素。允许的切速极限参考值如机床主轴变速箱设计指导书 。然而，根 据本次设计的需要选取的值如表 4.1。 表 4-1 计参数选取表 加工条件 umax=300m/minumin=8m/min 硬质合金刀具粗加工铸铁件3050 硬质合金刀具半精或精加工碳钢工件150300 螺纹（丝杠等）加工铰孔38 (2)主轴的极限转速 计算车床主轴的极限转速时的加工直径，按经验分别取（0.10.2）D 和 （0.450.5）D。由于 D=630mm，则主轴极限转速应为： nmax=r/min （4.1） max1000 (0.1 0.2) u D =7581517r/min ，取=1000r/m； max n nmin=r/min （4.2） min1000 (0.45 0.5) u D CK6163 型数控机床设计 19 在中考虑车螺纹和绞孔时，其加工最大直径应根据实际加工情况选取 0.1D 和 50 min n 左右。 所以：nmin=32r/min max min 1000 d u 由于转速范围： R= = max min n n32 1000 =31.25 ； 因为级数 Z 已知：Z=16 级 。 现以 =1.26 和 =1.41 代入 R= 1z 得 R=32 和 173 ，因此取 =1.26 更为合适。 各级转速数列可直接从标准数列表中查出。标准数列表给出了以 =1.06 的从 110000 的数值，因 =1.26=，从表中找到 nmax=1000r/min，就可以每隔 4 个数 4 06 . 1 值取一个数，得： 1000，800，630，500，400，315，250，200，160，125，100，80，63，50，40，32 。 (3)主轴转速级数 z 和公比 已知 =Rn (4.3) max min n n Rn=且： z= z-1 ba 32 因机床的电动机转速往往比主轴的大多数转速高，变速系统以降速传动居多，因此， 传动系统中若按传动顺序在前面的各轴转速较高，根据转矩公式（单位 N.m）T= ，当传递功率一定时，转速较高的轴所传递的扭矩就较小，在其他条件相同 n P 9500 时，传动件（如轴、齿轮）的尺寸就较小，因此，常把传动副数较多的变速组安排在 前面的高速轴上，这样可以节省材料，减少传动系统的转动惯量。因此选择结构式如 下： 16=。 8121212 2222222 (4)主电机功率动力参数的确定 合理地确定电机功率 N，使用的功率实际情况既能充分的发挥其使用性能，满足生产 需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。 目前，确定机床电机功率的常用方法很多，而本次设计中采用的是：估算法，它是 一种按典型加工条件（工艺种类、加工材料、刀具、切削用量）进行估算。根据此方法， 中型车床典型重切削条件下的用量： 根据设计书表中推荐的数值取：P=13kw 4.2 传动设计传动设计 4.2.1 传动结构式、结构网的选择传动结构式、结构网的选择 结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于分 无锡太湖学院学士学位论文 20 析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效，可考虑到本次设计的需要可 以参考一下这个方案。 确定传动组及各传动组中传动副的数目 级数为 Z 的传动系统有若干个顺序的传动组组成，各传动组分别有 Z1、Z2、Z3个传动 副。即 Z=Z1Z2Z3传动副数由于结构的限制以 2 和 3 的因子积为合适，即变速级数 Z 应为 2 和 3 的因子:Z= ba 32 可以有几种方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已经选定了的和本次设 计所须的正确的方案列出，具体的内容如下： 传动齿轮数目 2x（2+2+1）+2x(2+1)+1=17 个 轴向尺寸 19b 传动轴数目 8 根 操纵机构 简单，两个双联滑移齿轮 根据以上分析及计算，拟定变速箱传动结构图如下： 图 4.1 变速箱传动结构图 图 4.1 中，第轴至第轴，其结构式为： 4= 12 22 图 4.1 中，第轴至第轴，机床主轴箱传动系统采用分离传动，其主要特点是： （1） 在满足传动副极限传动比的条件下，可以得到较大的变速范围。 （2） 高速由短支传动，有助于减少高速时机床的空运转功率损失。而且高速分支的尺 寸可相对小些。 （3） 变速级数不像常规变速系统那样受 2，3 因子的限制，如与部分转速重合的方法 配合，几乎可以得到任意的变速级数，大大增